RU2444762C1

RU2444762C1 - Scintillation detector

Info

Publication number: RU2444762C1
Application number: RU2010140107/28A
Authority: RU
Inventors: Виталий Иванович Микеров (RU); Виталий Иванович Микеров
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-03-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: in the scintillation detector, each radiation converter is optically insulated from neighbouring converters by a cellular structure with light-reflecting walls. Light-reemitting fibres coated with light-reflecting material pass through the edge of the cellular structure in the region of the geometric centre of the converters. The cells of the structure are filled with liquid scintillator, and there is a hole in the housing of the detector for filling the scintillator and there is a pressure release valve.

EFFECT: high efficiency of detecting fast neutrons and gamma-ray quanta during operation in composite neutron-gamma radiation fields.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области создания сегментированных детекторных модулей, регистрации ионизирующих излучений, обнаружения источников радиоактивных излучений, определения направления на них и их идентификации, может применяться в установках, предназначенных для обнаружения радиоактивных источников, делящихся веществ, в физических исследованиях.The invention relates to the field of creating segmented detector modules, detecting ionizing radiation, detecting sources of radioactive radiation, determining the direction of them and identifying them, can be used in installations designed to detect radioactive sources, fissile substances, in physical research.

Известен позиционно-чувствительный детектор нейтронов, состоящий из кварцевой трубы, заполненной жидким сцинтиллятором, состоит из кварцевого контейнера длиной 100 см прямоугольного сечения 11,5*6 см, заполненного жидким сцинтиллятором NE-213, и двух ФЭУ типа RCA 8854, расположенных по торцам контейнера. Nuclear Instruments and Methods 185 (1981), p.165-174. Недостатками этого устройства является соединение ФЭУ и кварцевого контейнера составом AV 138 и HV 998 (ФРГ). ФЭУ приклеены к торцам кварцевого контейнера. Соединение не является разборным и при выходе из строя одного из элементов конструкции (например, ФЭУ, стоимость которого высока - 2000$) детектор не пригоден к работе и нет возможности замены элементов конструкции.Known position-sensitive neutron detector, consisting of a quartz tube filled with a liquid scintillator, consists of a quartz container with a length of 100 cm rectangular 11.5 * 6 cm, filled with a liquid scintillator NE-213, and two PMT type RCA 8854 located at the ends of the container . Nuclear Instruments and Methods 185 (1981), p. 165-174. The disadvantages of this device is the connection of the PMT and a quartz container with the composition of AV 138 and HV 998 (Germany). PMTs are glued to the ends of the quartz container. The connection is not collapsible and in case of failure of one of the structural elements (for example, PMT, the cost of which is high - $ 2000), the detector is not suitable for work and there is no possibility of replacing structural elements.

Известен позиционно-чувствительный детектор нейтронов, состоящий из кварцевой трубы, заполненной жидким сцинтиллятором, и двух ФЭУ, расположенных по торцам устройства, помещенных в кожух, в котором ФЭУ имеют непосредственный контакт со сцинтиллятором. Между кварцевой трубой и ФЭУ установлено разборное уплотнение, выполненное с использованием двусторонних фланцев и стойкого к жидким углеводородам пластика, расположенного между фланцами, а расширительная камера, расположенная над кварцевой трубой, имеет тефлоновую заглушку с находящимся в ней уплотнением, а также клапан для сброса давления при расширении сцинтиллятора. Патент Российской Федерации №2087923, МПК: G01Т /204, 1997 г.Known position-sensitive neutron detector, consisting of a quartz tube filled with a liquid scintillator, and two PMTs located at the ends of the device, placed in a casing in which the PMTs are in direct contact with the scintillator. A collapsible seal is installed between the quartz tube and the PMT, made using double-sided flanges and liquid-hydrocarbon-resistant plastic located between the flanges, and the expansion chamber located above the quartz tube has a Teflon plug with a seal located in it, as well as a pressure relief valve when scintillator expansion. Patent of the Russian Federation No. 2087923, IPC: G01T / 204, 1997.

Известен сцинтилляционный детектор, содержащий N преобразователей излучения с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон и фотоприемники, в котором преобразователи излучения расположены в точках пересечения трехмерной координатной сетки, каждый преобразователь излучения последовательно соединен с соседними преобразователями излучения линейными светопереизлучающими элементами, закрепленными на каждом преобразователе излучения с оптическим контактом, преобразователи излучения и линейные светопереизлучающие элементы покрыты светоотражающим и светозащитным материалами. Патент Российской Федерации на полезную модель №92970, G01T 1/20, 2010. Прототип.A scintillation detector is known that contains N radiation converters with rows of light-emitting fibers fixed to them and photodetectors, in which radiation converters are located at the intersection points of a three-dimensional coordinate grid, each radiation converter is connected in series with neighboring radiation converters by linear light-emitting elements mounted on each radiation converter with an optical contact, radiation converters and linear light-emitting elements You are covered with reflective and lightproof materials. Patent of the Russian Federation for utility model No. 92970, G01T 1/20, 2010. Prototype.

Недостатком прототипа являются низкая эффективность регистрации быстрых нейтронов из-за отбраковки многократных актов рассеяния, произошедших с участием углерода; низкая эффективность регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов при работе в смешанных нейтрон-гамма-полях в связи с исключением из рассмотрения событий со временем между последовательными актами рассеяния меньше некоторого, определяемого техническим уровнем развития электроники (порядка 0, 1 нс); высокая стоимость электронных узлов детектора, обеспечивающих измерение временных интервалов между последовательными актами рассеяния регистрируемой частицы.The disadvantage of the prototype is the low detection efficiency of fast neutrons due to the rejection of multiple scattering events that occurred with the participation of carbon; low detection efficiency of fast neutrons and gamma rays when operating in mixed neutron gamma fields due to the exclusion from consideration of events with time between successive scattering events less than some determined by the technical level of development of electronics (of the order of 0.1 ns); the high cost of electronic components of the detector, providing the measurement of time intervals between successive events of scattering of the detected particles.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки аналога и прототипа.This invention eliminates these disadvantages of the analogue and prototype.

Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов при работе в смешанных нейтрон-гамма-радиационных полях, исключение сложной и дорогой электроники для разделения нейтронного сигнала и сигнала, вызванного гамма-квантами, и, следовательно, уменьшение стоимости детектора.The technical result of the invention is to increase the detection efficiency of fast neutrons and gamma rays when working in mixed neutron-gamma radiation fields, the exclusion of complex and expensive electronics for separating the neutron signal and the signal caused by gamma rays, and therefore, reducing the cost of the detector.

Технический результат достигается тем, что в сцинтилляционном детекторе, содержащем N преобразователей излучения, расположенных в точках пересечения трехмерной координатной сетки, с закрепленными на них рядами светопереизлучающих волокон и фотоприемники, последовательно соединенные с соседними преобразователями с помощью скрещенных светопереизлучающих волокон, каждый преобразователь излучения оптически изолирован от соседних преобразователей излучения ячеистой структурой с отражающими свет стенками и отверстиями для расположения светопереизлучающих волокон, покрытых светоотражающим материалом, ячейки структуры заполнены жидким сцинтиллятором, а в корпусе детектора выполнено отверстие для заливки сцинтиллятора и установлен клапан для стравливания давления. Каждый слой ячеистой структуры состоит из двух частей с отверстиями, расположенными в месте их контакта, а светопереизлучающие волокна проложены через ребра ячеистой структуры в области геометрического центра преобразователей.The technical result is achieved by the fact that in a scintillation detector containing N radiation transducers located at the intersection points of a three-dimensional coordinate grid, with rows of light-emitting fibers and photodetectors fixed to them, connected in series with adjacent transducers using crossed light-emitting fibers, each radiation transducer is optically isolated from adjacent radiation converters with a cellular structure with reflecting walls and holes for positioning Ia svetopereizluchayuschih fibers coated with a reflective material, cell structure filled with a liquid scintillator, and a detector housing provided with an opening for pouring a scintillator and a valve for pressure relief. Each layer of the cellular structure consists of two parts with holes located at their contact point, and light-emitting fibers are laid through the edges of the cellular structure in the region of the geometric center of the converters.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-5.The invention is illustrated figure 1-5.

На фиг.1 схематично представлена сборка, состоящая из 3-х слоев ячеистой структуры детектора, установленных друг над другом, где 1 - нижняя половина одного слоя ячеистой структуры детектора, 2 - отверстия в ребрах ячеистой структуры для светопереизлучающих волокон, 3 - верхняя половина одного слоя ячеистой структуры детектора, 4 - светопереизлучающие волокна, 5 - светоотражающие слои, расположенные по обе стороны каждого слоя ячеистой структуры, 6 - отверстия для крепления светопереизлучающих волокон в рамке, 7 - рамка для крепления частей 1 и 3 ячеистой структуры и светопереизлучающих волокон. Слои устанавливаются в герметичный для жидкого сцинтиллятора и атмосферного воздуха корпус (на Фиг.1 не показан).Figure 1 schematically shows an assembly consisting of 3 layers of the detector’s cellular structure installed one above the other, where 1 is the lower half of one layer of the detector’s cellular structure, 2 are holes in the edges of the cellular structure for light-emitting fibers, 3 is the upper half of one layer of the detector’s cellular structure, 4 — light-emitting fibers, 5 — reflective layers located on both sides of each layer of the cellular structure, 6 — holes for attaching the light-emitting fibers in the frame, 7 — frame for attaching parts 1 and 3 of the cell istoy structure and svetopereizluchayuschih fibers. The layers are installed in a housing sealed for liquid scintillator and atmospheric air (not shown in FIG. 1).

На фиг.2_а схематично представлен слой ячеистой структуры детектора при внешнем расположении на нем светопереизлучающих волокон, где 1 - слой ячеистой структуры детектора, 2 - отверстия в ребрах ячеистой структуры для светопереизлучающих волокон, 4 - светопереизлучающие волокна.2 is _a schematic representation of the detector layer cellular structure with an external location thereon svetopereizluchayuschih fibers, wherein 1 - the detector layer honeycomb structure, 2 - holes in the edges of the cellular structure to svetopereizluchayuschih fibers 4 - svetopereizluchayuschie fibers.

На фиг.2_б схематично представлен слой ячеистой структуры детектора, где 1 - нижняя половина одного слоя ячеистой структуры детектора, 2 - отверстия в ребрах ячеистой структуры для светопереизлучающих волокон, 3 - верхняя половина одного слоя ячеистой структуры детектора, 4 - светопереизлучающие волокна, 5 - светоотражающий слой, разделяющий смежные слои ячеистой структуры.Figure _2b schematically shows the layer of the detector’s mesh structure, where 1 is the lower half of one layer of the detector’s mesh structure, 2 is the holes in the edges of the mesh structure for light-emitting fibers, 3 is the upper half of one mesh layer of the detector, 4 is light-emitting fibers, 5 - a reflective layer separating adjacent layers of the cellular structure.

На фиг.3 частично представлена нижняя половина одного слоя, где 1 - нижняя половина одного слоя ячеистой структуры детектора, 2 - отверстия в ребрах ячеистой структуры для светопереизлучающих волокон, 4 - светопереизлучающие волокна, 6 - отверстия для крепления светопереизлучающих волокон в рамке 7, 7 - рамка для фиксации положения верхней 1 и нижней 3 половин ячеистой структуры и светопереизлучающих волокон 4, 8 - пазы в рамке 7 для фиксации положения нижней 1 и верхней 3 половин одного слоя ячеистой структуры.Figure 3 partially shows the lower half of one layer, where 1 is the lower half of one layer of the detector’s cellular structure, 2 are holes in the edges of the cellular structure for light-emitting fibers, 4 are light-emitting fibers, 6 are holes for attaching light-emitting fibers in the frame 7, 7 - a frame for fixing the position of the upper 1 and lower 3 halves of the cellular structure and light-emitting fibers 4, 8 - grooves in the frame 7 for fixing the position of the lower 1 and upper 3 halves of one layer of the cellular structure.

На фиг.4 схематично представлен вид сверху на рамку 7, служащую для крепления скрещенных спектросмещающих волокон 4 и фиксации положения нижней 1 и верхней 3 половин одного слоя ячеистой структуры, где 4 - светопереизлучающие волокна, 6 - отверстия для крепления светопереизлучающих волокон, 7 - рамка для крепления частей ячеистой структуры и светопереизлучающих волокон, 8 - пазы в корпусе для фиксации положения ячеистой структуры.Figure 4 schematically shows a top view of the frame 7, which serves for fastening crossed spectroscopic fibers 4 and fixing the position of the lower 1 and upper 3 halves of one layer of the cellular structure, where 4 are light-emitting fibers, 6 are holes for attaching light-emitting fibers, 7 is a frame for fixing parts of the cellular structure and light-emitting fibers, 8 - grooves in the housing for fixing the position of the cellular structure.

На фиг.5 представлены рассчитанные зависимости эффективности регистрации быстрых нейтронов различных энергий в диапазоне от 2 МэВ до 14 МэВ для различных органических сцинтилляторов: полистирола (ПС), ксилола и другого жидкого сцинтиллятора NE228 с относительным содержание водорода Н:С, равным 2:1.Figure 5 presents the calculated dependences of the detection efficiency of fast neutrons of various energies in the range from 2 MeV to 14 MeV for various organic scintillators: polystyrene (PS), xylene and other liquid NE228 scintillator with a relative hydrogen content of H: C equal to 2: 1.

Стенки ячеистой структуры выполнены из светоотражающего материала или покрыты им. Это увеличивает амплитуду регистрируемого сигнала. С целью увеличения сцинтилляционного сигнала за счет лучшего светосбора фотонов, возникших в жидком сцинтилляторе, светопереизлучающие волокна 4 расположены по диагоналям ячеек в области их геометрического центра. Такое расположение светопереизлучающих волокон 4 приводит к увеличению амплитуды регистрируемого сигнала почти в 3 раза. В корпусе из материла непроницаемого для света детектор собирают послойно.The walls of the cellular structure are made of reflective material or coated with it. This increases the amplitude of the recorded signal. In order to increase the scintillation signal due to the better light collection of photons arising in the liquid scintillator, the light-emitting fibers 4 are located along the diagonals of the cells in the region of their geometric center. This arrangement of light-emitting fibers 4 leads to an increase in the amplitude of the recorded signal by almost 3 times. In the casing of the material impervious to light, the detector is collected in layers.

Каждый слой состоит из двух частей ячеистой структуры 1 и 3, закрепленных в рамке 7 со спектросмещающими волокнами 4, и двух слоев светоотражающего слоя 5, расположенных по обе стороны от собранной ячеистой структуры. Для фиксации половин слоев ячеистой структуры 1 и 3 одного слоя ячеистой структуры и крепления светопереизлучающих волокон 4 в рамке 7 выполнены отверстия 6 и пазы 8. Количество слоев, количество ячеек в каждом слое и их размер определяются техническими требованиями к детектору. Слои ячеистой структуры устанавливают в корпус детектора (на фигурах не показан), который служит в качестве направляющих для каждого слоя детектора при его сборке, фиксирует положение слоев и является емкостью для жидкого сцинтиллятора. В корпусе выполнено отверстие для заливки сцинтиллятора и клапан для стравливания излишнего давления. Корпус герметичен по отношению к окружающей атмосфере для предотвращения окисления сцинтиллятора, приводящего к ухудшению его сцинтилляционный свойств. В зависимости от вязкости жидкого сцинтиллятора его заливают в корпус послойно после установки нижней 1 и верхней 3 половин одного слоя до установки светоотражающего слоя 5 или после установки в корпус всех слоев детектора. В последнем случае жидкий сцинтиллятор проникает в ячейки детектора через отверстия 2 в ребрах ячеистой структуры. При возникновении сцинтилляционной вспышки в жидком сцинтилляторе одной из ячеек фотоны от этой вспышки попадают в два скрещивающихся светопереизлучающих волокна 4, где переизлучаются и распространяются по светопереизлучающим волокнам 4 к их торцам за счет полного внутреннего отражения от покрытия из светоотражающего слоя 5. Фотоны, пришедшие на торцы светопереизлучающих волокон 4, регистрируют фотодетекторами (на фигурах не указаны), в качестве которых использованы двухкоординатные ФЭУ или полупроводниковые фотодиоды. Положение ячейки, в которой произошла сцинтилляционная вспышка, определяют по номерам светопереизлучающих волокон 4 (фотодетекторов), на которых сигнал появился практически одновременно.Each layer consists of two parts of the cellular structure 1 and 3, fixed in frame 7 with spectroscopic fibers 4, and two layers of reflective layer 5, located on both sides of the assembled cellular structure. To fix half the layers of the cellular structure 1 and 3 of one layer of the cellular structure and fasten the light-emitting fibers 4 in the frame 7, holes 6 and grooves are made 8. The number of layers, the number of cells in each layer and their size are determined by the technical requirements for the detector. Layers of the cellular structure are installed in the detector body (not shown in the figures), which serves as guides for each detector layer during its assembly, fixes the position of the layers and is a container for a liquid scintillator. An opening for filling the scintillator and a valve for venting excess pressure are made in the housing. The housing is sealed against the surrounding atmosphere to prevent the scintillator from oxidizing, leading to a deterioration in its scintillation properties. Depending on the viscosity of the liquid scintillator, it is poured into the housing layer by layer after installing the lower 1 and upper 3 halves of one layer before installing the reflective layer 5 or after installing all layers of the detector in the housing. In the latter case, a liquid scintillator penetrates the detector cells through holes 2 in the edges of the cellular structure. When a scintillation flash occurs in a liquid scintillator of one of the cells, the photons from this flash fall into two crossed light-emitting fibers 4, where they are re-emitted and propagated through the light-emitting fibers 4 to their ends due to the total internal reflection from the coating from the light-reflecting layer 5. Photons arriving at the ends light-emitting fibers 4, register photodetectors (not shown in the figures), which are used two-axis PMTs or semiconductor photodiodes. The position of the cell in which the scintillation flash occurred is determined by the numbers of light-emitting fibers 4 (photodetectors), on which the signal appeared almost simultaneously.

Точность определения направления на источник и спектральное разрешение детектора зависят от пространственного разрешения детектора и растут с уменьшением размера его ячейки. Расчеты показали, что для детектора размером 24×24×24 см и при размере ячейки 1×1×1 см точность определения направления на источник нейтронов спектра деления и спектральное разрешение составляют соответственно около 12° и 30%, а эффективность регистрации нейтронов с разделением сигналов превышает 10%. В отличие от пластмассового сцинтиллятора в жидком сцинтилляторе наблюдают различие в длительности заднего фронта импульса для нейтрона и гамма-кванта. Это позволяет использовать метод разделения по форме сцинтилляционного импульса, повышает эффективность регистрации из-за отсутствия необходимости в отбраковке регистрируемых событий по причине технических ограничений на точность измерения временных интервалов между последовательными актами рассеяния регистрируемой частицы. Кроме того, среди жидких сцинтилляторов существуют вещества (например, NE228), в которых относительное содержание водорода вдвое превосходит содержание водорода в пластмассе. Это приводит к увеличению эффективности регистрации быстрых нейтронов и при низкой эффективности светосбора.The accuracy of determining the direction to the source and the spectral resolution of the detector depend on the spatial resolution of the detector and increase with decreasing cell size. The calculations showed that for a detector with a size of 24 × 24 × 24 cm and a cell size of 1 × 1 × 1 cm, the accuracy of determining the direction to the neutron source of the fission spectrum and spectral resolution are respectively 12 ° and 30%, and the efficiency of neutron detection with signal separation exceeds 10%. In contrast to a plastic scintillator, a difference in the duration of the trailing edge of the pulse for a neutron and a gamma quantum is observed in a liquid scintillator. This allows you to use the method of separation according to the shape of the scintillation pulse, increases the registration efficiency due to the absence of the need to reject the recorded events due to technical limitations on the accuracy of measuring time intervals between successive scattering events of the detected particle. In addition, among liquid scintillators there are substances (for example, NE228) in which the relative hydrogen content is twice the hydrogen content in plastic. This leads to an increase in the detection efficiency of fast neutrons even at low light collection efficiency.

Claims

1. A scintillation detector containing N radiation transducers located at the intersection points of a three-dimensional coordinate grid, with rows of light-emitting fibers and photodetectors fixed to them, connected in series to adjacent transducers using crossed light-emitting fibers, characterized in that each radiation transducer is optically isolated from neighboring radiation converters with a cellular structure with light-reflecting walls and holes for the location of light-emitting x fibers coated with reflective material, the cells of the structure are filled with a liquid scintillator, and a hole for filling the scintillator is made in the detector body and a valve is installed to relieve pressure.

2. The scintillation detector according to claim 1, characterized in that each layer of the cellular structure consists of two parts with holes located at their contact point, and light-emitting fibers are laid through the edges of the cellular structure in the region of the geometric center of the transducers.